C/X/Ku波段双极化T/R组件的设计与实现

C/X/Ku波段双极化 T/R组件的设计与实现

张波 1 殷凯军 1 胡雄杰 1

（ 1. 南京国博电子有限公司，南京， 210016）

摘要：介绍了一种C/X/Ku波段双极化T/R组件的电路原理设计和实现。GaAs MMIC、GaN MMIC、微型插针、高密度多层布线技术的应用有效减小了组件的体积和重量；组件内部通过合理的电路布局，实现了良好的电磁兼容性，并最终实现了高可靠性的双极化T/R组件。

关键词： T/R组件；超宽带；电磁兼容；小型化；CW；高可靠性

Desigh And Realization of C/X/Ku -band dual polarization T/R module

Zhang Bo ¹ Yin KaiJun¹ Hu XiongJie¹

(1. Nanjing guobo limited company, Nanjing, 210016)

Abstract: In this paper, the design and realization of a wide-band dual polarization high-efficient T/R module are introduced. The application of GaAs MMIC, GaN MMIC, micro coaxial structure, micro pin header and high-density wiring technology can effectively reduce the volume and the weight of the module; the proper layout desigh of the circuit structure design in the module improves the resistance capacity to deformation, A high-reliability L-band dual-channel T/R module is achieved.

Keyword: T/R module ; wide-band ; ultrathin ; electromagnetic compatibility; high reliability

1 引言

当今，相控阵雷达对于超宽带、控制灵活性、高速率、小型化和多功能化的需求越来越强烈。在这种应用场景中，超宽带双极化相控阵雷达由于其灵活的波束控制、高精度指向和强大的抗干扰能力，大大提高了雷达系统的射频综合能力、电子反对抗能实现低截获率。大功率、超宽带相控阵天线可以应用于路基、海基以及航空航天的通信系统、侦测系统、电子战系统。因此，各类多功能雷达系统对超宽带双极化TR组件的需求也日益强烈。

本文介绍了一款C/X/Ku波段多通道双极化T/R组件，对组件关键指标进行分解、仿真设计并实测。组件具有高的发射功率、高隔离度，较小的体积和重量。

2组件设计

2.1 电路原理

T/R组件由一发双收支路组成。组件所用有源元器件主要为MMIC芯片，实现小型化，组件发射原理框图见图1、接收原理框图见图2。

组件每个通道包含收发射频开关、接收极化开关、功率放大器、低噪声放大器、驱放、数控衰减器、数控移相器、发射驱放、发射末级放大器等元器件。组件连续波工作。

组件实现的功能有：（1）实现收发分时切换工作；（2）接收极化分时切换；（3）实现发射信号功率放大功能；（3）实现小信号的低噪声放大器；（4）实现收发调制功能；

图1 组件发射原理框图

图2 组件接收原理框图

发射支路要求输出功率≥38dbm；杂散≥70dBc，谐波≥12dBc。接收支路要求单通道增益31±1dB，隔离度≥30dBc，噪声系数≤4.5dB，输入P-1≥-30dBm。

组件要求实现小型化设计，尺寸要求：70mm×59mm×8.8mm。

2.2 链路计算

接收支路的级联计算指标见表1所示，单通道增益设计值34dB左右（包含功分器损耗），噪声系数设计值4.1dB。发射支路的级联计算指标见表2，发射功率设计值≥39dBm。

表1 接收增益、噪声级联计算值

表2 发射输出功率

2.3 结构和热仿真

组件需要在长为70mm，宽为59mm尺寸内实现四个收发独立通道，这要求组件内部采用大量裸芯片以提高封装密度，同时对对组件进行密封设计，以隔绝外部恶劣的工作环境影响，保证其长期可靠性和稳定性。外壳采用激光封帽的方式。在选择结构材料时统筹考虑了强度、成本、重量、加工性、热和电性能要求等方面综合因素。由于要求重量轻、传热快，同时要求结构所用材料能够易于加工，选择铝作为主体材料。

组件连续波工作的主要热源来自与功率放大器的热耗，系统采用液冷方式进行散热，采用热仿真软件计算管芯温度，当液冷控制壳温稳定在70℃时，组件的管芯温度小于150℃，如图3所示，该结构方案能够很好的实现热控制^[4]。

图3 热仿真图

组件采用了大量的裸芯片以提高组件封装密度，因此必须对组件进行密封设计。模块外壳选用铝材料，封帽方式采用激光封帽。可以保证其稳定性和长期可靠性^[4]。

3 组件的实现

C/X/Ku波段双极化T/R组件的制作实物如下图4所示。组件RF端口为SMA，接口电源与控制端口为J37J微矩形连接器。

图4 T/R组件实物图

发射输出功率和发射效率如图5、图6所示，发射带外二次谐波抑制如图7所示，接收通道增益和噪声系数测试结果如图8、图9所示，接收输入P_-1如图9所示。

图5 组件接收发射功率

图6 组件效率

图7 组件发射二次谐波带外抑制

图8 组件接收增益测试结果

图8 组件接收噪声测试结果

图9 组件接收输入P-1测试结果

4 结论

本文介绍了一种C/X/Ku波段双极化T/R组件的电路原理设计和实现。通过合理的链路分析及器件选型，设计并制作了样品实测，来验证功率、噪声、增益、二次谐波抑制、接收输入P_-1等多个指标。组件在满足上述指标的同时，最终实现小型化高可靠性设计。

参考文献：

1. 苏力争，钟剑锋，张建增，唐宝富. S波段八通道数字T/R组件研究与设计［J］. 现代雷达，2013，35（9）:66-68.

2. 张卫清，许厚棣，唐亮. 雷达数字化收发系统芯片设计与实现［J］. 雷达科学与技术，2016，14（3）:317-323.

3. 胡春明，周志鹏，严伟. 相控阵雷达收发组件技术 [M]. 北京：国防工业出版社，2010.

4. 盛重.功放芯片热分析及散热片结构优化［J］.电子与封装,2015（2）:44-48.

联系作者：张波 18751889305 E-mail:eyoumin101@126.com